MŰANYAGOK ALKALMAZÁSA Hőre lágyuló elasztomerek alkalmazása az elektronikától és a sínjárművektől a háztartási cikkekig A hőre lágyuló elasztomerek sokféleségük és széles tulajdonságtartományuk miatt nagyon sokféle alkalmazási területen lehetnek hasznosak. Legnagyobb sikerük a hőre lágyuló olefinelasztomereknek van, őket követik a sztirolalapú elasztomerek, a harmadik helyet a poliuretánalapú elasztomerek foglalják el. Tárgyszavak: termoplasztikus elasztomerek; elektronika; TPU alkalmazások; halogénmentes égésgátlás; vezetőképes TPE. Halogénmentes és villamosan vezető hőre lágyuló elasztomerek az elektronikában A Müller Kunststoffe GmbH (Lichtenfels) kompaundálással nagy választékban állít elő hőre lágyuló elasztomereket. TPV típusú EPDM/PP elasztomerjeit Lifoflex-V, poliuretánalapú elasztomerjeit Lifoprene-PU márkanéven forgalmazza; az utóbbiakat kifejezetten a cipőipar számára fejlesztette ki. Ezeknek van habosítható változata is (a belőle készített hab sűrűsége 45 g/cm 3 ). Ezt is a cipőgyártáshoz ajánja, de extrudálható és fröccsöntető, az autógyártás is érdeklődik iránta. A cég nagy választékban gyárt SEBS (sztirol-butadién-sztirol) és SEPS (sztirol-etilén-propilén-sztirol) alapú elasztomereket is (TPS), ezek márkaneve Lifoflex (GA, GB vagy GC megkülönböztető jelöléssel). Újabb Lifoflex családja a Lifoflex UV FLAM, amely halogénmentes égésgátlót tartalmaz, és kielégíti az elektronikus ipar éghetőségre vonatkozó követelményeit. Másik újdonsága a korommal töltött, villamosan vezető TPE. Csökkentett éghetőségű hőre lágyuló elasztomerek az elektronikus ipar számára A villamos- és elektronikai iparban fontos követelmény, hogy az alkalmazott anyagok ne gyulladjanak és ne égjenek könnyen, mert a potenciális gyújtóforrás mindig jelen van. A műanyagok legtöbbje jól ég, ezért éghetőségüket megfelelő adalékokkal csökkenteni kell. Erre a célra még ma is a legjobb hatásfokú adalékok a halogénvegyületek, de ezek használatát mérgező és korrozív égésgázaik, továbbá erős füstképzésük miatt fokozatosan korlátozzák, előbb-utóbb pedig betiltják alkalmazásukat. Németországban a villamos és elektronikus berendezések hulladékának újrahasznosítására vonatkozó rendelet (WEEE irányelvek) szerint a hasznosítás előtt el kell különíteni a halogénes égésgátlókat tartalmazó műanyagokat, a villamos és elektronikai berende
zésekben alkalmazható anyagokra vonatkozó rendelet (RoHS irányelvek) szerint az új berendezésekben polibrómozott bifenileket és difenil-étereket nem szabad alkalmazni. A Müller cég ezért nagy erőfeszítéseket tett annak érdekében, hogy a halogéntartalmú égésgátlók hatásfokához hasonló hatású halogénmentes égésgátlókkal teljesítse az elektronikai ipar elvárásait. Az égésgátlók fizikai vagy kémiai hatással csökkenthetik az égést, és legtöbbször az égés kezdeti szakaszában avatkoznak be a folyamatba. Fizikai hatás lehet az éghető anyag koncentrációjának a csökkentése (hígítás), az árnyékolás vagy a hűtés. Kémiai hatással a lángban (szabad gyökök keletkezésének gátlása) vagy a szilárd fázisban (kokszos záróréteg képződése, ún. karbonizálás) akadályozhatják az égés kiterjedését. A halogénmentes égésgátlók között valamennyi típus megtalálható. A halogénmentes szervetlen anyagú fizikai hatású égésgátlók a szilárd fázisban és a gázfázisban is kifejthetik hatásukat, de ezeknek a környezetbarát anyagoknak a teljesítménye a műanyagokban és különösen a hőre lágyuló elasztomerekben nem kielégítő. A foszfortartalmú készítményeknek karbonizáló hatásuk van, megfelelő szinergetikus adalékokkal együtt pedig a felületet lezáró duzzadó réteget képeznek. Ez a réteg nem ereszti át a hő hatására fejlődő éghető gázokat és az oxigént is elzárja a polimer felületétől, amivel megszakítja az égés folyamatát. A nitrogéntartalmú halogénmentes égésgátlókat főképpen poliamidokhoz ajánlják, ezek melamin-cianurát képzésével gátolják az égést, de hatásfokuk TPE-kben nem kielégítő. A különböző iparágakban eltérő vizsgálati módszereket alkalmaznak az éghetőség megítélésére és az Európai Unión belül még az egyes tagállamokban sem azonosak ezek a módszerek. Az építőiparban Németországban a DIN 4102 az alapvető vizsgálati szabvány, amelyet több tagállam átvett. Ebben az iparág jellegzetességének megfelelően nagyméretű próbatestet és nagyméretű gyújtóforrást alkalmaznak. Sínjárművekben alkalmazott anyagok éghetőségét Németországban a DIN 5510-2 szabvány, Franciaországban az NF F 16-101 szabvány szerint kell minősíteni. A villamos- és elektronikai iparban kezdettől fogva nemzetközi méretekben ugyanazokat a vizsgálati módszereket alkalmazzák. Ebben az iparágban kisméretűek a próbatestek és kisebb energiájúak, gyakran pontszerűek a gyújtóforrások, mert ez felel meg a berendezések veszélyforrásainak. Az alapanyagok éghetőségét legtöbbször az USA Underwriter s Laboratories UL 94 szabványa szerint minősítik HB, V-0, V-1, V-2 vagy 5V fokozatúnak. Ugyancsak az alapanyagokat minősítik az oxigénindexszel (LOI, limiting oxygen index) ISO 4589-2 45 szabvány szerint. Kifejezetten a villamos és elektronikai anyagok és termékek éghetőségének ellenőrzésére szolgál az EN 60695-2 (IEC 60695-2) szerinti izzóhuzalos vizsgálat (GWFI, GWIT érték), az EN 60112 (IEC 60112:2003) szerinti kúszóáram-szilárdság (CTI érték) mérése és az ASTM D95 szabvány szerinti ívállóság meghatározása. A Müller cég a halogénmentes csökkentett éghetőségű Lifoflex UV FLAM elasztomerek két sorozatát fejlesztette ki. A 600-as sorozat 3,0 mm-es vastagságban, a 700- as sorozat már 1,6 mm-es vastagságban kielégíti az UL94 szabvány V-0 fokozatának követelményeit, (azaz a vízszintes próbapálca gyújtás után rövid idővel kialszik, és az
esetleg lehulló ömledékcseppek nem gyújtják meg a próbatest alatt elhelyezett vattát). Valamennyi típus kiállja az izzóhuzalos próbát. A sorozaton belül az egyes típusok Shore A keménysége 40 90 között változik (1. táblázat). Az elasztomerek színe a fehértől a feketéig bármilyen lehet. Valamennyi típus jól tapad polipropilénhez, sőt polietilénhez is. 1. táblázat A Lifoflex UV FLAM elasztomerek 600-as és 700-as sorozatának tulajdonságai Tulajdonság Egység UV FLAM UV FLAM UV FLAM UV FLAM UV FLAM UV FLAM 600-as sorozat 40600 50600 60600 70600 80600 90600 Keménység Shore A 40 50 60 70 80 90 Sűrűség g/cm 3 1,05 1,05 1,03 1,03 1,03 1,03 Húzószilárdság MPa 2,7 3,9 5,5 6,6 7,5 9,0 Szakadási nyúlás % 650 740 835 835 770 725 23 C/72 h 70 C/22 h % 24 19 21 29 37 46 % 54 51 49 55 63 72 UL 94 fokozat V-0 V-0 V-0 V-0 V-0 V-0 Izzóhuzalos próba 3,0 mm 650 C-on Izzóhuzalos próba 3,0 mm, 850 C-on 700-as sorozat 40700 50700 60700 70700 80700 90700 Keménység Shore A 40 50 60 70 80 90 Sűrűség g/cm 3 1,10 1,10 1,07 1,07 1,06 1,05 Húzószilárdság MPa 1,4 2,2 3,6 4,2 5,3 6,4 Szakadási nyúlás % 460 525 700 730 680 625 23 C/72 h 70 C/22 h % 12 13 16 19 31 42 % 39 39 36 40 48 58 UL 94 fokozat V-0 V-0 V-0 V-0 V-0 V-0 Izzóhuzalos próba, 1,6 mm 650 C Izzóhuzalos próba, 1,6 mm, 850 C DIN 5510-2 -éghetőségi fokozat S3 S3 S3 S3 S3 S3 -csepegési fokozat ST2 ST2 ST2 ST2 ST2 ST2 -füstképzés SR2 SR2 SR2 SR2 SR2 SR2
Az erősebben csökkentett éghetőségű 700-as sorozat tagjai vasúti kocsikban is alkalmazhatók. A DIN 5510-2 szabvány szerint az 500x10x6 mm-es próbatesteknek nemcsak az éghetőségét, hanem a füstképződését és a csepegését is minősítik. A Lifoflex UV FLAM 70700 jelzésű elasztomerből készített próbatesteket éghetőségük alapján az S3, füstképzésük alapján az SR2, csepegésük alapján az ST2 osztályba sorolták. Égésgázainak elemzése is nagyon kedvező eredményeket adott. A Lifoflex UV FLAM elasztomert az UL-nél is bevizsgálták és már 1,5 mm-es vastagságban V-0 éghetőségi fokozatba sorolták. A Lifoflex UV FLAM elasztomerek kielégítik a RoHS irányelvek követelményeit is, és összhangban vannak az európai 2003/11/EG direktívával, amely a brómozott bifenilek és difenil-éterek korlátozásáról rendelkezik.. Koromtartalmú elasztomerek A műanyagok és a hőre lágyuló elasztomerek is többnyire jó villamos szigetelőanyagok, és az elektrotechnikában általában ezt a tulajdonságukat használják ki. Könynyű feldolgozhatóságuk és formázhatóságuk, jó mechanikai tulajdonságaik, kis sűrűségük és olcsóságuk miatt azonban néha szükség volna arra, hogy vezessék az elektromos áramot. Vezetőképes TPE-t korom töltőanyag bekeverésével lehet előállítani. Ez jobban összefér az alappolimerrel és olcsóbb is, mint a hasonló célra használt más töltőanyagok (grafit, szénnanocsövek, fémpelyhek vagy -szálak). A vezető korom azonban csak akkor tölti be feladatát, ha homogén az eloszlása a polimerben. Bekeverésekor a polimer vezetőképessége nem változik arányosan a bevitt mennyiséggel, ha viszont elér egy kritikus koncentrációt, az ún. perkolációs küszöböt, a vezetőképesség ugrásszerűen megnő. Ennek a koncentrációnak a közelében igen kis koncentrációváltozás igen nagy különbségeket okoz, felette a keverék ellenállása aszimptotikusan közelíti a tiszta adalék ellenállását. Emiatt nagyon nehéz a keverék ellenállását 10 6-10 14 ohm között beállítani, ezért a keverékek legtöbbször a perkolációs küszöbnél több kormot tartalmaznak. A TPE és más műanyagkeverékek gyártásakor a korom bevitele még ma sem könnyű feladat. A korom általában növeli a viszkozitást és csökkenti a rugalmasságot. Főleg az utóbbi hátrányos az elasztomerek esetében, amelyeket elsősorban a rugalmasságuk miatt alkalmaznak. Korommal különösen nehéz lágy TPE receptúrákat összeállítani, mert a töltőanyag a keménységet is megnöveli. A vezetőképes Lifoflex TPE kompaundok térfogati ellenállását 10 1 és kb. 10 5 ohm m között lehet méretre szabva beállítani. A cég fejlesztőinek sikerült egészen lágy keverékeket is készíteni a jó vezetőképesség megtartása mellett. Ezért a vezetőképes TPE típusok keménysége az alacsony Shore A értékektől a magas Shore D értékekig terjed. Ezek a típusok nemcsak lágyak, hanem rugalmasak és jó a visszaalakulási képességük. A keverékek viszkozitását az igényeknek megfelelően állítják be, ezért jól fröccsönthető és jól extrudálható típusokat is képesek szállítani a megrendelőknek. Bizonyos módosításokkal sikerült a csökkentett éghetőségű és a villamosan vezető
keverékek tapadását növelni, ezért azok a kétkomponensű fröccsöntésben is jól beváltak. Termoplasztikus poliuretánelasztomerek A hőre lágyuló poliuretánelasztomerek piaci részesedésük alapján a termoplasztikus elasztomerek között a harmadik helyen állnak, de ha figyelembe veszik a hasonló kémiai felépítésű ömledékragasztókat is, ez a vegyületcsoport évente a világpiacon kb. 1 millió tonnával van jelen. Az alacsony olvadáspontú TPU-kat elsősorban a cipőgyártó ipar és a fóliagyártás használja fel, a keményebb típusokat többrétegű fóliák tapadórétegeként dolgozzák fel. Alig van olyan iparág, amelyben nem alkalmaznak TPU-t. Népszerűségét annak köszönheti, hogy rugalmassága, szilárdsága és kopásállósága a saját árkategóriájában a legjobb. További előnye a kellemes fogás. Alkalmazása nélkül a sporteszközök és a sportcipők ma már elképzelhetetlenek. A TPU bevonatok növelik a gépkocsi értékét és tartósságát. A mindennapi életben használt eszközökben is gyakran előfordul (1. ábra). TPU TPS 37,5% TPV 6,3% TPC 3,4% egyéb 2,5% 9,2% 1. ábra TPO 41,1% A világon előállított hőre lágyuló elasztomerek (2010-ben 4,1 millió tonna) megoszlása fajták szerint. (TPO olefinalapú, TPS sztirolalapú, TPU poliuretánalapú, TPV térhálósítható, TPC észteralapú hőre lágyuló elasztomer) TPU a háztartásban Ha valaki kora reggel használja a fogkeféjét, kemény sztirolkopolimerből készített nyelet tart a kezében, amelynek felületét bársonyos tapintású fedőréteg borítja. Ennek az eszköznek a puha felületét semmiféle koptató hatás nem fenyegeti. Azok a kis spatulák, amelyekkel a kozmetikumokat viszik fel a bőrre, már keményebb, ellenállóbb anyagot igényelnek; az ajakfény felviteléhez használt eszközt pl. 60 Shore A keménységű Elastollan-poliészter-TPU-ból készítik (gyártja BASF Polyurethanes GmbH, Lemförde). Ez a TPU típus ugyanis ellenáll az izododekánnak, amelytől számos műanyagot megduzzad. Egy lézeres epilátor fogantyúját halvány színű 90 Shore A keménységű Elastollan-poliészter-TPU-val vonták be nagyon vékonyan. A nagyon diszkrét színt csak színező mesterkeverékkel tudták egyenletesen beállítani.
TPU az épületgépészetben A lágy TPU-t a cipőgyártásban és az autóiparban (pl. a kellemes tapintású autókulcs fedőrétegeként) azért alkalmazzák, mert nagyon jól tűri a dinamikus fárasztást. De az épületgépészetben is fontos szerepet kap. Az áruházak mozgólépcsőit kísérő gumikorlát is készülhet TPU-ból. Ez nemcsak a kéznek okoz jó érzést, hanem a szemnek is, mert a megszokott fekete helyett bármilyen színű lehet, sőt átlászó is, és a mozó korlát alá bármilyen felirat felvihető. A hőre lágyuló anyag felújításkor is előnyös, mert míg egy gumikorlát cseréje 6-8 óráig is eltarthat, a TPU korláté legfeljebb 2 3 óra. A hőre lágyuló elasztomert végtelenítéskor ugyanis össze lehet hegeszteni, a gumit viszont vulkanizálni kell. 2. ábra Zsinórokból felépített szállítószalag egy élelmiszeripari üzemben A TPU felületi szerkezetét a feldolgozási körülményekkel szabályozni lehet. A hőmérsékletprofiltól és a lehúzási sebességtől függően a felület lehet sima, durva vagy nagyon durva; az utóbbit ömledéktöréssel érik el. Ilyen durva felületűek az áruházi éttermekben üzemeltetett futószalagok, amelyeken az ételek összeválogatásához használt tálcák mozgás közben nem csúsznak el. A 85 Shore A keménységű Elastollan-poliészter- TPU-ból készített futószalagok az alapanyag jó kopásállósága következtében minimális karbantartást igényelnek. Ha zsinórokból kell végtelenített profilokat készíteni (2. ábra), nagy előnyt jelent az, hogy a TPU könnyen ragasztható és hőmérséklettel, nagyfrekvenciás vagy ultrahangos eljárással is hegeszthető. Különösen értékelendő a TPU kopásállósága a hajtószíjakban. Az erős hajtószíjak acélsodronyait ezért ilyen elasztomerbe ágyazzák, hogy megvédjék őket a korróziótól és a sérüléstől. Korszerű felvonók hajtásához többnyire lapos szíjakat alkalmaznak, amelyek a nagyobb felület miatt nagyobb biztonságot adnak. A felvonótechnikában alkalmazott kenőolaj a TPU-ra nincs hatással, a TPU jobb siklása miatt ehhez a gumival összehasonlítva kevesebb olajra van szükség. A TPU szállítószalagokat az élelmiszeripar is használja, mert bizonyos Elastollan típusok megkapták az erre feljogosító engedélyt. A típusok nagy választéka szabad kezet ad a szállítórendszer tervezőinek a rendszer kialakításában. Egy 90/95 Shore A keménységű Elastollan TPU-ból készített rekeszes rendszerrel pl. apró töltött tésztafélét, tortellinit szállítanak a gyártási helyen úgy, hogy sem a szállítószalag, sem a szállított áru nem sérül meg útközben. A tervezők fantáziáját alig korlátozza bármi. Fényálló, nagyon lágy (Shore D keménységű) átlátszó Elastollannal pl. kávéautomatát vontak be kívülről, amelyet egy
fényforrás teljes felületén világítóvá tesz. Ilyen hatást eddig csak merev anyagokkal és több fényforrással lehetett elérni. A felhasznált TPU nagyon jól átlátszóságát gyenge kristályosodásának köszönheti, amit izocianát adagolásával értek el. A gyakorlatilag amorf TPU a fény hatására nem sárgul el. TPU a szabadidő- és sporteszközökben A TPU-t gyakran alkalmazzák fólia formájában, elsősorban a ruházat vízgőzáteresztésének érdekében. A sportdzsekik jól védenek a szél és az eső ellen, de az izzadságból eredő vízgőzt át kell engedniük. A Gore-Tex cég (Newark, Delaware, USA) ezt erősen megnyújtott és emiatt pórusossá vált poli(tetrafluor-etilén) (PTFE, Teflon) fólia textilfelületre vitelével oldotta meg. Ez a fólia azonban nem elasztikus, csak vékonysága miatt hajlékony és emiatt követi a kelme mozgását. A TPU is vízgőzáteresztővé tehető, és nagyobb szakítószilárdsága, továbbá hegeszthetősége révén megszünteti az esőkabátok gyenge pontjait a varrásoknál és a cippzárnál. A TPU-val laminált textilek moshatósága javul, a ruhadarabok élettartama megnő, és az ilyen textilek hordás közben nem zizegnek. Emiatt sportolás közben kellemesebb a viselésük. A TPU fóliák ugyanolyan jó légzáróak is lehetnek, mint a butilkaucsuk fóliák. Mivel a levegő apoláris, a poliészter-tpu poláris, a TPU membránok megakadályozzák a légcserét. Ezért az Uhlsport GmbH (Balingen, Németország) futball-labdáit TPU bevonattal látja el. Emiatt a labda hosszú ideig megőrzi ruganyosságát. A sportsérülések ellátásában is szerepe van a TPU-nak. A 80 Shore A keménységű vígőzáteresztő sebtapaszok gyorsítják a gyógyulást és megvédik a sebet a külső hatásoktól. Ilyen tapaszokat használnak bőrátültetéskor is. Ugyancsak sebkezeléshez TPU-ból gyártanak rugalmas nem szőtt kelméket és pólyákat ömledékfúvással (meltblow technology) vagy finom extrudált szálak fonásával (spunbond technology). Összeállította: Pál Károlyné Berg, CH.: Elektrisch leitfähig und flammgeschützt = Kunststoffe, 103. k. 2. sz. 2013. p. 38 41. Müller Kunststoffe a Hexpol company = www. mueller-kunststoffe.com Scholz, G.: Verborgen im Alltag = Kunststoffe, 103. k. 5. sz. 2013. p. 70 73. Volta belting technology = www. boltatechnik.com